利用高阶高斯光束实现表面等离激元非对称激发的研究

发布时间：2020-07-11 04:16

【摘要】：单向性好、激发效率高的SPP源在纳米光子集成和纳米测量方面都有重要的应用需求。本论文研究高阶模厄米高斯光束与金属薄膜上的纳米狭缝、狭缝对和纳米孔对阵列等结构的相互作用规律,发展了非对称SPP激发的新方法。由于高阶厄米高斯光场在暗线两侧具有π位相跃变和大的光强梯度,它和对称纳米结构发生错位耦合时将会激发出非对称的SPP。通过理论分析,分别给出了金属薄膜上的纳米狭缝、狭缝对和纳米孔对阵列结构的SPP激发模型。时域有限差分法(FDTD)模拟和理论分析都显示,在亚波长错位耦合的情况下,金属狭缝阵列结构可以获得更为显著的非对称SPP激发。进一步,我们利用聚焦离子束(FIB)刻蚀方法分别加工了各种纳米结构,并利用泄露辐射显微成像的方法验证了上述的理论分析和数值计算结果。实验结果验证了高阶厄米高斯光场与金属狭缝之间相互作用非对称激发SPP的效应,同时也证明了这种非对称激发效应的动态可调特性。利用高阶高斯光束与金属狭缝阵列结构实现了动态调控SPP的激发方向,在探测亚波长位移上提供了一种新的方法,这在纳米测量技术等领域有着重要应用价值。本文主要包括以下几方面的内容:(1)研究了一阶模厄米高斯光光强和相位分布不连续性的特性。使用时域有限差分法对一阶模厄米高斯光束进行数值模拟,并在实验上使用径向光偏振片和线偏振片结合生成了 HG10模的高斯光。(2)对比已有的非对称SPP激发方法,提出了一种基于金属狭缝结构的理论模型,实现了动态调控SPP的非对称激发。进一步提出金属双狭缝阵列模型,实现了更为显著的非对称SPP激发。结合SPP干涉和偶极子相互作用的原理,对金属狭缝模型和金属狭缝阵列模型进行了理论分析。使用FDTD模拟了金属狭缝模型和金属狭缝阵列模型的近场分布和远场分布,验证了非对称激发SPP和动态调控散射场方向和分束比的物理过程。(3)采用聚焦离子束(FIB)刻蚀的方法在50nm厚的银膜上制备了金属狭缝阵列结构。使用泄露辐射成像系统对非对称激发效应进行了实验验证,实验结果验证了高阶厄米高斯光场与金属狭缝之间相互作用非对称激发SPP的效应,同时也证明了这种非对称激发效应的动态可调特性。本论文的创新点主要包括:(1)首次提出使用高阶厄米高斯光束作为入射光,聚焦入射在金属狭缝结构和金属狭缝阵列结构上,通过调控高阶厄米高斯光奇异暗线与结构的相对位置,实现了非对称激发SPP效应。(2)将动态调控SPP的传输方向及散射分束比与纳米尺度位置的微小位移结合。通过控制HG10光束奇异暗线与金属狭缝阵列结构相对位置的改变,实现了 SPP非对称激发的分束比逐渐增大。这在纳米测量技术及纳米尺度位移传感器等方面具有重要的应用需求。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O435
【图文】：

介质界面,金属

光［２＜）］等领域取得了广泛关注。逡逑１．２．１表面等离子体的色散关系逡逑以半无限大介质－金属界面结构为例分析ＳＰＰ的光学特性，如图１．１所示，逡逑该结构由上下两部分组成，ｚ＞０的部分是各项同性的电介质材料，其相对介电常逡逑数用＆表示，为正实数；ｚ＜0的部分是金属，金属的介电常数用逡逑ｆｍ0ｙ）邋＝邋４（＜ｙ）邋＋邋ｚ＿ｆ，．（＆＞）表示。通过Ｄｒｕｄｅ模型［２１］可知，在可见光波段，金属介电逡逑常数的实部为负值，虚部为正值，且｜＆0ｙ）｜？ｋ，．（叫｜。通常，金属和电介质在可逡逑见光频段都可以当作是非铁磁介质。在没有外部电荷和电流密度分布时，求解麦逡逑克斯韦方程组，就可以得到沿界面传播的ＳＰＰ色散关系。逡逑Ｚ逡逑Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｓｄ邋＾逡逑Ｍｅｔａｌ逡逑图１．１邋ＳＰＰ在金属－介质界面传播逡逑首先分析介质－金属界面上的表面电磁模式是横磁模式（ＴＭ，Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ逡逑Ｍａｇｎｅｔｉｃ）时的场分布

光栅图,光栅,波矢

（ａ）逦（ｂ）逡逑图１．３棱镜耦合激发ＳＰＰ示意图逡逑光栅耦合激发ＳＰＰ本质上是衍射补偿的方法，光栅在光照的情况下，所产生逡逑的高级次衍射光可以提供波矢补偿［２６］。常用的光栅主要是一维光栅，二维光栅和逡逑周期性点阵结构。光线以角度０入射到一维光栅上，如图１．４所示，光线与光栅逡逑相互作用后，沿着界面方向的波矢为逡逑ｋｘ邋＝ｋ０ｓ＼ｎＯ－＼－ｍ逦（１．８）逡逑ｄ逡逑其中＆为入射光波矢，ｍ邋（正整数）是光栅的衍射极次，ｄ为光栅的周期。逡逑要在金属表面激发ＳＰＰ需要选择合适的光栅周期，满足＜逦。逡逑Ｉ逡逑ｉＸｅ邋；邋ｋ￥ｐｐ邋，逡逑图１．４光栅耦合激发ＳＰＰ逡逑５逡逑

示意图,示意图,光栅,波矢

【参考文献】